一种基于FSR的法布里-珀罗谐振腔天线设计

李 越

(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

电磁超材料是由人工复合而成并拥有新颖电磁特性的一种周期性材料,其主要是对常规材料进行尺寸和单元的有序排列来获得各种电磁特性。近些年来,电磁超材料被广泛应用在高增益天线、小型化天线、宽角扫描天线等诸多领域。法布里-珀罗谐振腔天线具有结构和馈电简单以及增益较高的良好特性,因此得到了广泛的关注。本文利用频率选择性吸波材料作为法布里-珀罗(F-P)谐振腔的部分反射表面,在提升天线增益的同时兼顾天线带外的低雷达散射截面(RCS)特性。

1 F-P谐振腔原理

F-P谐振腔天线一般由馈源天线、理想导电体以及部分反射表面(PRS)构成,其射线跟踪模型[1]如图1所示。将馈源天线等效为理想点源,由它发出的电磁波入射至PRS,一部分反射回腔体内,另一部分透过部分反射表面。反射回腔体内的电磁波入射至金属地板后又继续反射和透射,由此以往在无穷远处同相叠加。

图1 F-P谐振腔天线的射线跟踪模型

假设金属地板和PRS的反射系数分别为ejφ1和R(θ)ejφ2(θ),φ1和φ2为反射相位,R(θ)为PRS的反射幅度。其中φ1=-180°,φ2和R(θ)为关于入射角θ的变量。当满足谐振条件时,由馈源天线产生的电磁波在2个反射平面内经过多次反射后在谐振腔外同相叠加,使得整体结构的定向辐射性能增强。叠加后远场电场强度为：

(1)

式中：Δn为图1中相邻射线的相位差。

远场方向图函数为：

(2)

式中：φ=φ(θ)-π-2khcosθ。

一般来说,正向辐射即θ=0°时辐射能量达到最大值,则需要满足：φ(0)-π-2kh=2Nπ,N=1,2,3,…,n,由此可以得到满足谐振条件的腔体高度：

(3)

可以看出,腔体高度主要取决于工作波长以及PRS的反射相位φ2。在此谐振条件下,方向图函数最大值为[2]：

(4)

相较于单个馈源而言,F-P谐振腔天线的增益增强量为：

(5)

2 馈源天线设计

F-P谐振腔的馈源采用双模介质谐振器天线,如图2所示。DRA由介质基板及其上侧的2块介质谐振器构成,介质基板采用Rogers-4003(相对介电常数εr=3.55,损耗角正切tanδ=0.002 7),耦合缝隙和馈线微带分别位于基板上下侧。双层介质谐振器位于基板的中心,材料采用Rogers-6010和Rogers-5880,相对介电常数和损耗角正切分别为εr1=10.2,tanδ1=0.002,εr2=2.2,tanδ2=0.001。

图2 双模DRA结构示意图

仿真得到DRA的反射系数和轴向增益曲线如图3所示,可以看出该DRA反射系数小于-10 dB的工作频带为7.89～12.17 GHz,频带内峰值增益为9.1 dB。表1给出了优化后DRA的具体参数。

表1 DRA参数 mm

图3 双模DRA仿真结果

3 部分反射表面设计

按照F-P谐振腔天线的高增益原理,需要设计一款工作频带与馈源天线一致的部分反射表面。为了同时兼顾对工作频带外的电磁波的吸收性能,在带通型频率选择表面的上方放置一层损耗层,二者构成频率选择性吸波结构FSR,作为F-P谐振腔天线的部分反射表面,其物理结构和等效模型如图4所示。

图4 FSR仿真结构及其等效电路模型

损耗层由加载8个阻值均为180 Ω贴片电阻的金属环形谐振器构成,其中并联螺线电感和折叠带线分别位于介质基板两侧,并通过金属化过孔相连。与入射波电磁波电场强度矢量极化方向一致的损耗层金属线上会产生感应电流,并集中在沿线的螺线电感和折叠带线上。当FSR工作在吸波频段,约束在金属折线上的电流经过沿线的电阻被损耗掉;当FSR工作在透波频段,即金属折线的谐振频率处时,集中在金属折线上的电流将透过阻抗表面层和带通层,实现低损耗透波,而沿线的电阻并不会损耗能量。带通层由“正方形金属贴片-介质基板-金属栅格-介质基板-正方形金属贴片”构成多层互补结构,考虑到实际加工中带状线两侧介质基板之间需要填充1层0.1 mm厚的半固化片,其介电常数为3.55。

仿真得到垂直入射情况下FSR的S参数和吸波率,如图5所示。该FSR的1 dB传输损耗频带为8.07 GHz～11.8 GHz,相对带宽为37.54%。X波段内最小传输损耗为0.25 dB,最大传输损耗为-1.32 dB。90%吸波率频带为1.9 GHz～4.8 GHz和13.3 GHz～14.9 GHz,相对带宽分别为86.6%和11.3%,峰值吸波率为98.7%。表2给出了其具体参数。

表2 FSR物理参数 mm

图5 FSR仿真结果

4 F-P谐振天线性能分析

将部分反射表面放置在馈源天线上方以构成F-P谐振结构,如图6所示。

图6 FSR与DRA构成的F-P谐振天线示意图

为了定量地确定腔体地高度以得到尽量大的增益增强量,需要对不同入射角情况下FSR的反射系数的相位和幅度进行分析,如图7所示。在工作频带内,不同入射角对应的反射系数相位φ2均在180°左右,由式(3)即可得到满足F-P谐振条件的最小腔体高度hmin=λ0/2=15 mm,其中λ0=30 mm,为中心频率10 GHz对应的工作波长。考虑到随着入射角的增大,反射系数的幅度变化愈为明显,对其取不同入射角对应的反射系数幅度的平均值Rave为：

图7 FSR在不同入射角情况下的反射系数的相位和幅度

(6)

式中：θN-1=θmax,为F-P谐振腔上层FSR至馈源中心的斜入射角,假设正方形谐振腔的物理口径Ae=W2,则θmax为：

(7)

则F-P谐振腔天线的增益增强量计算公式(5)修正为：

(8)

由此可以定量地分析Fabry-Perot谐振腔天线的增益增强效果。

对双模介质谐振器天线和F-P谐振腔天线进行了加工测试,如图8(a)所示。在天线四周采用4个尼龙螺丝和螺柱将其固定,测试结果与仿真结果对比如图8(b)、(c)所示,可以看出,天线的2个谐振点略有偏移,这主要是由于介质谐振器与底部基板压合时位置产生了小额的偏移,但带内整体反射系数均在-9 dB以下,其带内增益略有下降但整体与全波仿真结果吻合。相较于介质谐振器天线,Fabry-Perot谐振腔天线的增益能实现4.26 dB的最大增强量,带内最大峰值增益为12.1dBi@11.5 GHz。1 dB和3 dB增益带宽(即峰值增益下降1 dB和3 dB所对应的相对带宽)分别为26.98%和33.64%。图9给出了10 GHz和12 GHz处的二维方向图对比结果。图10为恒电波(TE)和恒磁波(TM)极化下等口径金属反射平面与F-P谐振腔天线在近似垂直入射条件下的RCS对比,在2 GHz～16 GHz内能实现较低的RCS。

图8 天线实物与测试结果

图9 DRA加载FSR前后的方向图对比

图10 F-P谐振腔天线相较于等口径的金属反射平面的RCS

表3给出了该F-P谐振天线与近年来同种类型天线的对比,可以看出,可以增大谐振腔口径的大小提高其峰值增益。本章所设计的F-P谐振腔天线可以在口径大小与参考文献相比拟的条件下,实现较高的增益,3 dB增益带宽较宽,且能实现较好的RCS缩减效果。

表3 参考文献对比

5 结束语

本文根据F-P谐振腔天线的基本原理,结合频率选择表面的相关设计理论与方法,设计了一款基于FSR的F-P谐振腔天线,所设计的天线与同类型天线相比,在相对口径基本一致的条件下,具有较高的增益与低散射特性,仿真和实测表明均能实现较好的性能。